魏　鋼（錦州師范高等?？茖W(xué)校，遼寧　錦州　121000）

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基于聯(lián)創(chuàng)中控物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)應(yīng)用程序與ZigBee網(wǎng)關(guān)通信協(xié)議的研究

魏鋼
（錦州師范高等?？茖W(xué)校，遼寧錦州121000）

摘要：ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸具有一定數(shù)據(jù)格式，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序通過對這些數(shù)據(jù)讀寫實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的控制。本文通過對“聯(lián)創(chuàng)中控物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)”應(yīng)用程序與ZigBee網(wǎng)關(guān)通信協(xié)議的研究，介紹數(shù)據(jù)通信的格式，促進(jìn)開發(fā)人員對設(shè)備的了解和應(yīng)用程序的編寫。

關(guān)鍵詞：ZigBee；物聯(lián)網(wǎng)；網(wǎng)關(guān)

0　引言

ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議，它是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。聯(lián)創(chuàng)中控研發(fā)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)整體上包括ZigBee網(wǎng)絡(luò)，Android智能網(wǎng)關(guān)服務(wù)程序和Android終端應(yīng)用程序三部分。通信過程是傳感器節(jié)點(diǎn)通過CC2530無線射頻將數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)上，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過串口與Android智能網(wǎng)關(guān)服務(wù)程序進(jìn)行通信，Android終端應(yīng)用程序通過3G/WIFI或以太網(wǎng)方式與Android智能網(wǎng)關(guān)服務(wù)程序進(jìn)行通信，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)控制各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)。實(shí)際開發(fā)中Android終端應(yīng)用程序主要使用了以太網(wǎng)Socket編程技術(shù)，Android終端應(yīng)用程序作為TCP通信的客戶端，Android智能網(wǎng)關(guān)程序作為TCP通信的服務(wù)端，客戶端把數(shù)據(jù)通過TCP通信把數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)端，服務(wù)端以串口通信方式把數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)解析數(shù)據(jù)發(fā)送給各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)控制［1］。研究終端應(yīng)用程序與ZigBee網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序通信協(xié)議是開發(fā)應(yīng)用程序的前提，協(xié)議的測試與使用方法具體內(nèi)容如下：

1　上位機(jī)與網(wǎng)關(guān)進(jìn)行組網(wǎng)

首先，上位機(jī)的網(wǎng)絡(luò)配置。對于Win7操作系統(tǒng)右擊桌面的網(wǎng)絡(luò)，點(diǎn)擊屬性打開網(wǎng)絡(luò)和共享中心，點(diǎn)擊本地連接，前提是網(wǎng)卡與無線路由器設(shè)備之間有物理連接，點(diǎn)擊屬性進(jìn)行網(wǎng)卡配置，使用靜態(tài)IP地址，輸入IP地址為192.168.1.2，子網(wǎng)掩碼為255.255.255.0，默認(rèn)網(wǎng)關(guān)為192.168.1.1。

其次，準(zhǔn)備一臺(tái)無線路由器，用于實(shí)現(xiàn)通訊設(shè)備間無線或有線組網(wǎng)。啟動(dòng)IE瀏覽器，在地址欄里輸入http://192.168.1.1，進(jìn)行無線路由器配置。對于不同廠家的無線路由器的IP和配置方式可能不同，查看產(chǎn)品使用說明書即可。設(shè)置無線路由器的登錄密碼，設(shè)置密碼與確認(rèn)密碼保持一致，如果忘記密碼，按Reset鍵可以恢復(fù)出廠設(shè)置。上網(wǎng)設(shè)置可以跳過，輸入無線名稱和無線密碼，IP地址使用默認(rèn)192.168.1.1。

最后，網(wǎng)關(guān)的網(wǎng)絡(luò)配置。物理連接好網(wǎng)關(guān)和無線路由器，啟動(dòng)智能網(wǎng)關(guān)的Android系統(tǒng)。點(diǎn)擊設(shè)置關(guān)閉WIFI，選擇以太網(wǎng)絡(luò)。點(diǎn)擊打開網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置。獲取IP方式選擇靜態(tài)IP，輸入IP地址192.168.1.3，子網(wǎng)掩碼為255.255.255.0，網(wǎng)關(guān)為192.168.1.1，保存配置。配置結(jié)束后，在上位機(jī)上啟動(dòng)命令提示符，輸入ping 192.168.1.3，測試上位機(jī)與網(wǎng)關(guān)設(shè)備組網(wǎng)是否成功。

2　通信協(xié)議的命令格式

終端應(yīng)用程序與ZigBee網(wǎng)關(guān)的通信協(xié)議是具有一定格式的，每一條命令由起始位、命令、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)和校驗(yàn)五部分構(gòu)成，具體說明如表1所示。

表1　命令格式

SOP表示命令的開始，長度為1個(gè)字節(jié)，取固定值為0x02。

CMD表示命令標(biāo)識(shí)碼，長度為2個(gè)字節(jié)，用于區(qū)別不同的命令。其中0x2900表示上位機(jī)向網(wǎng)關(guān)發(fā)送數(shù)據(jù)；0x6900表示網(wǎng)關(guān)向上位機(jī)響應(yīng)；0x6980表示網(wǎng)關(guān)向上位機(jī)響應(yīng)具體數(shù)據(jù)。

LEN表示DATA域的長度，長度為1個(gè)字節(jié)，為0表示沒有數(shù)據(jù)域。DATA表示數(shù)據(jù)格式，長度為n個(gè)字節(jié)，由EP和APP_MSG構(gòu)成。其中EP為固定一個(gè)字節(jié)取值為 0x02；APP_MSG為具體的數(shù)據(jù)通信幀，由2個(gè)字節(jié)的網(wǎng)絡(luò)地址、2個(gè)字節(jié)的命令id和x個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)包構(gòu)成，詳細(xì)說明如表2所示。

表2　APP_MSG格式

FCS表示數(shù)據(jù)校驗(yàn)，長度為1個(gè)字節(jié)，從CMD到DATA的異或和。

3　傳感器節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)地址測試

ZigBee有兩種類型地址，一種是64位IEEE地址，即MAC地址，它是全球唯一的地址，一經(jīng)分配就將跟隨設(shè)備一生，它通常由制造商或者被安裝時(shí)設(shè)置，這些地址由IEEE組織來維護(hù)和分配。另一種是16位的網(wǎng)絡(luò)地址，相對于IEEE地址又叫做短地址，可以由開發(fā)人員自己指定，但是為了防止指定網(wǎng)絡(luò)地址沖突，通常使用分布式尋址方案來動(dòng)態(tài)分配網(wǎng)絡(luò)地址，從而保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中所有分配的地址都是唯一的［2］。在單一的ZigBee網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部主要通過網(wǎng)絡(luò)地址來區(qū)分不同的設(shè)備，默認(rèn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址為0x0000。

測試傳感器節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)地址可以通過測試協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)鄰居表的辦法來獲得，鄰居表的參數(shù)標(biāo)示為0015。啟動(dòng)Android智能網(wǎng)關(guān)，選擇啟用ZigBee網(wǎng)關(guān)。在上位機(jī)上安裝網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手工具，協(xié)議選擇TCP Client，本地主機(jī)地址自動(dòng)獲得為192.168.1.2，遠(yuǎn)程主機(jī)地址和端口為192.168.1.3:8320，其中8320為智能網(wǎng)關(guān)TCP服務(wù)端的端口號(hào)，點(diǎn)擊連接，按鈕變成紅色表示網(wǎng)絡(luò)連接成功，選中按十六進(jìn)制發(fā)送，輸入命令02 29 00 07 02 00 00 00 01 00 15 38，表示向協(xié)調(diào)器詢問鄰居表信息，命令說明如下：

02表示命令開始，2900表示上位機(jī)向網(wǎng)關(guān)發(fā)送數(shù)據(jù)，07表示發(fā)送數(shù)據(jù)的長度，02表示數(shù)據(jù)開始，0000表示目標(biāo)地址是協(xié)調(diào)器，0001表示要讀信息，0015表示要讀取節(jié)點(diǎn)的鄰居表信息，38表示29 00 07 02 00 00 00 01 00 15的異或和結(jié)果。在協(xié)議研究中由于經(jīng)常要用到異或和，可以設(shè)計(jì)一個(gè)用于實(shí)現(xiàn)異或計(jì)算的類，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)算異或功能［3］，代碼如下：

點(diǎn)擊發(fā)送后，接收區(qū)返回?cái)?shù)據(jù)為02 69 00 01 00 68 02 69 80 0C 00 00 80 01 00 00 15 02 2F 3E 46 D6 F2，信息說明如下：

第一部分，02 69 00 01 00 68，表示網(wǎng)關(guān)向上位機(jī)響應(yīng)。

第二部分，02 69 80 0C 00 00 80 01 00 00 15 02 2F 3E 46 D6 F2，表示網(wǎng)關(guān)向上位機(jī)響應(yīng)的數(shù)據(jù)信息。其中02表示命令開始，6980表示網(wǎng)關(guān)向上位機(jī)響應(yīng)，0C表示響應(yīng)數(shù)據(jù)的長度，0000表示響應(yīng)的節(jié)點(diǎn)地址，8001表示讀參數(shù)響應(yīng)，00表示讀參數(shù)響應(yīng)正常，0015表示鄰居表參數(shù)，02表示鄰居表個(gè)數(shù)，2F3E表示第一個(gè)鄰居表網(wǎng)絡(luò)地址，46D6表示第二個(gè)鄰居表網(wǎng)絡(luò)地址，F(xiàn)2表示69 80 0C 00 00 80 01 00 00 15 02 2F 3E 46 D6異或和。

4　傳感器節(jié)點(diǎn)類型測試

傳感器在加入ZigBee網(wǎng)之前要進(jìn)行設(shè)備類型編號(hào)，設(shè)備類型參數(shù)為0005，常用類型編號(hào)如表3所示。

表3　傳感器設(shè)備編號(hào)

由于網(wǎng)絡(luò)地址是由ZigBee網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)生成，每次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)可能有所不同。經(jīng)測試協(xié)調(diào)器鄰居表的網(wǎng)絡(luò)地址為a75d，在網(wǎng)絡(luò)通訊助手工具上發(fā)送02 29 00 07 02 a7 5d 00 01 00 05 d2，查看傳感器的設(shè)備類型編號(hào)，命令說明如下：

02表示命令開始，2900表示上位機(jī)向網(wǎng)關(guān)發(fā)送數(shù)據(jù)，07表示數(shù)據(jù)長度，02表示數(shù)據(jù)開始，a75d表示目標(biāo)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)地址，0001表示讀信息，0005表示設(shè)備類型，d2表示29 00 07 02 a7 5d 00 01 00 05異或和。

點(diǎn)擊發(fā)送后，接受區(qū)返回?cái)?shù)據(jù)為02 69 00 01 00 68 02 69 80 08 a7 5d 80 01 00 00 05 42 DD，其中倒數(shù)第2個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)42表示設(shè)備的編號(hào)，對照傳感器設(shè)備編號(hào)表，確認(rèn)為直流電機(jī)傳感器。

5　傳感器節(jié)點(diǎn)使用的測試

傳感器節(jié)點(diǎn)操作可以分為讀和寫兩種。例如對直流電機(jī)傳感器節(jié)點(diǎn)的讀操作，可以查看當(dāng)前電機(jī)的狀態(tài)；對直流電機(jī)傳感器節(jié)點(diǎn)的寫操作，可以控制電機(jī)正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)和停止。關(guān)于直流電機(jī)傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)備參數(shù)說明如表4所示。

表4　直流電機(jī)傳感設(shè)備參數(shù)

5.1查看直流電機(jī)傳感器狀態(tài)

發(fā)送數(shù)據(jù)：02 29 00 07 02 a7 5d 00 01 42 02 97

接受數(shù)據(jù)：02 69 00 01 00 68 02 69 80 08 a7 5d 80 01 00 42 02 00 DA，其中4202表示讀設(shè)備參數(shù)，00表示電機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài)。

5.2控制直流電機(jī)傳感器正轉(zhuǎn)

發(fā)送數(shù)據(jù)：02 29 00 08 02 a7 5d 00 02 42 01 01 99，其中0002表示寫請求，4201表示寫設(shè)備參數(shù)，01表示電機(jī)的正轉(zhuǎn)數(shù)度。

收到數(shù)據(jù)：02 69 00 01 00 68 02 69 80 05 A7 5D 80 02 00 94 02 69 80 07 a7 5d 00 03 42 02 01 56，其中8002表示寫響應(yīng)，00表示寫成功，0003表示自動(dòng)上報(bào)直流電機(jī)傳感器的狀態(tài)，01是正轉(zhuǎn)。

5.3控制直流電機(jī)傳感器反轉(zhuǎn)

發(fā)送數(shù)據(jù)：02 29 00 08 02 a7 5d 00 02 42 01 ff 67，其中0002表示寫請求，4201表示寫設(shè)備參數(shù)，ff表示電機(jī)的反轉(zhuǎn)的數(shù)度。

收到數(shù)據(jù)：02 69 00 01 00 68 02 69 80 05 A7 5D 80 02 00 94 02 69 80 07 a7 5d 00 03 42 02 ff 58，其中8002表示寫響應(yīng)，00表示寫成功，0003表示自動(dòng)上報(bào)直流電機(jī)傳感器的狀態(tài)，ff是反轉(zhuǎn)。

5.4控制直流電機(jī)傳感器停止

發(fā)送數(shù)據(jù)：02 29 00 08 02 a7 5d 00 02 42 01 00 98，，其中0002表示寫請求，4201表示寫設(shè)備參數(shù)，00表示電機(jī)停止。

收到數(shù)據(jù)：02 69 00 01 00 68 02 69 80 05 A7 5D 80 02 00 94 02 69 80 07 a7 5d 00 03 42 02 00 57，其中8002表示寫響應(yīng)，00表示寫成功，0003表示自動(dòng)上報(bào)直流電機(jī)傳感器的狀態(tài)，00是停止。

6　結(jié)束語

通過對“聯(lián)創(chuàng)中控物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)”的使用，對傳感器節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)地址、傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)備類型和傳感器節(jié)點(diǎn)使用的測試，深入分析了應(yīng)用程序與ZigBee網(wǎng)關(guān)通信協(xié)議的數(shù)據(jù)格式和使用方式，并給出了具體的測試方案，對于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層程序開發(fā)人員具有一定指導(dǎo)作用。

參考文獻(xiàn)：

［1］聯(lián)創(chuàng)中控（北京）科技有限公司.ZigBee無線傳感網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā).

［2］周武斌.ZigBee無線組網(wǎng)技術(shù)的研究［D］.湖南：中山大學(xué)，2009.

［3］劉文杰，鄭玉，劉志昊.Java 7實(shí)用教程［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2013.

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.11.129

作者簡介：魏鋼（1978-），男，遼寧盤錦人，碩士，講師，主要從事Java Web開發(fā)、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序開發(fā)研究。